悬架系统标准设计计算报告.doc

编号: - DPJS-008 悬架系统设计计算汇报项目名称：A级三厢轿车设计开发项目代号： 编制： 日期： 校对： 日期： 审核： 日期：同意： 日期：03月目 录1 系统概述11.1 系统设计说明11.2 系统结构及组成11.3 系统设计原理及规范22 悬架系统设计输入条件23 系统计算及验证33.1 前悬架位移和受力情况分析33.2 后悬架位移和受力情况分析73.3 悬架静挠度计算103.4 侧倾角刚度计算103.5 侧倾角刚度校核133.6 侧翻阀值校核153.7 纵向稳定性校核153.8 减震器参数确实定164 总结 18参 考 文 献201 系统概述1.1 系统设计说明悬架是汽车上关键总成之一，它传输汽车力和力矩、缓解冲击、衰减振动，确保汽车必需行驶平顺性和操纵稳定性。依据项目要求，需要对前后悬架特征参数进行计算和较核，在确保悬架系统满足必需功效同时，使悬架各特征参数匹配合理，且校核其满足通用汽车取值范围。1.2 系统结构及组成该款车型前悬架采取麦弗逊式独立悬架，该悬架上端螺旋弹簧直接作用于前减振器筒体之上，和前减振器共同组成前支柱总成，一起传输汽车所受力和力矩，并衰减汽车振动。下部三角形摆臂经过橡胶衬套对称安装于副车架两侧，经过副车架和车身牢靠连接在一起。前支柱和摆臂总成特定匹配关系确保了整个悬架系统固有使用特征，使其满足实际设计各项要求，其结构简图图1所表示。图1 前悬架结构形式后悬架采取复合纵臂式半独立悬架，为经济型车型应用最为普遍一个悬架结构，其显著特点是结构简单，成本低，使用可靠，侧倾性能优良。中间工字形扭转梁在传输汽车所受纵向力同时，也为后螺旋弹簧和减振器提供了必需安装空间，同时经过本身扭转刚度确保了后悬架含有优良侧倾特征。扭转梁前安装点经过各向异性橡胶衬套弹性和车身相连，既含有良好隔振性能又预防了汽车因为前后轴转向而产生过多转向特征。其结构简图图2所表示。图2 后悬架结构形式1.3 系统设计原理及规范LF7133前后悬架设计是以标杆车为依靠，依据标杆车悬架系统基础参数检测，经过计算，求得反应其悬架系统性能基础特征量，在保持整车姿态和标杆车一致前提下，依据标杆车悬架特征量对LF7133车型悬架参数进行设计。在确保各参数和标杆车保持基础一致情况下深入校核各设计参数，使其满足通用汽车设计取值范围，从而确定零部件制造尺寸参数，为零部件开发提供设计依据。计算和校核特征量关键包含悬架刚度、偏频、静挠度和阻尼等。2 悬架系统设计输入条件整个计算过程中，除了标杆车整车姿态以外，其它参数列入下表所表示：表1 悬架参数列表车型LF7133设计值标杆车数据质心高（mm）空载450430满载511491前轮距（mm）1465（设计值）1465（空载）后轮距（mm）1460（设计值）1460（空载）轴距（mm）2550（设计值）2550（空载）空载质量（kg）11001070满载质量（kg）14751445前轴荷（kg）空载676642满载788735后轴荷（kg）空载424428满载687710前悬架非簧载质量（kg）79.9779.97后悬架非簧载质量（kg）68.5568.553 系统计算及验证3.1 前悬架位移和受力情况分析经过对标杆车特征检测，在参考标杆车整车姿态和悬架安装点前提下，依据三维逆向设计数据运动分析可知，所设计车型螺旋弹簧中心点和车轮中心点在不一样姿态下行程以下：表2 前悬架位移弹簧行程（mm）车轮中心行程（mm）备注空载满载23.525.2空载反跳43.247.71). 空载悬架位移和受力情况分析悬架在空载情况下，其受力简图以下：图3 前悬架刚度空载下计算示意图依据图3 空载受力平衡，弹簧在空载时载荷值Fxk可由下式求出： 3150.0 N其中：GFk：前轮空载地面对和簧上质量作用力；=2920.5 N：车轮中心和弹簧受力点力比为；0.927另：为计算空载情况下悬架刚度，车轮中心和弹簧受力点位移比可在此一并计算出，即为：=1.0792). 满载悬架位移和受力情况分析悬架在满载情况下，其受力简图以下：图4 前悬架刚度满载下计算示意图依据图4 空载受力平衡，弹簧在满载时载荷值Fxm可由下式求出： 3700.0 N其中：GFm：前轮满载地面对和簧上质量作用力；=3469.3 N：车轮中心和弹簧受力点力比为；0.938另：为计算空载情况下悬架刚度，车轮中心和弹簧受力点位移比可在此一并计算出，即为：=1.0663). 螺旋弹簧刚度计算车辆在从空载在满载运动过程中，螺旋弹簧刚度可近似为线性刚度，则前螺旋弹簧刚度可由其空满载所受作用力改变量和改变位移直接求出，带入上面所计算出弹簧载荷值可得：=23.4 N/mm标杆车前螺旋弹簧试验刚度为20.7N/mm，和设计值有所差异，关键时因为LF7133和标杆车在整车载荷上有对应改变。LF7133前轴空满载载荷均较标杆车高，故而弹簧刚度需要合适提升。4). LF7133前螺旋弹簧参数确实定考虑到整个前悬架系统在整车部署情况，前螺旋弹簧中径、有效圈数均采取标杆车参数，仅对钢丝直径进行调整，即： 12.7 mm式中： G ：为弹性剪切模量79000 N/mm2Cs1 ：为螺旋弹簧刚度 23.4N/mmD1 ：为前螺旋弹簧中径 135.0 mmn ：为弹簧有效圈数 4.25圈，总圈数5.75圈。5). 前悬架固有频率计算悬架系统将车身和车轮弹性地连接起来，由此弹性元件和它所支承质量组成振动系统决定了车身振动频率，这是影响汽车行驶平顺性关键性能指标之一。前悬架固有频率： （Hz）式中： m1 ：前悬架簧上质量空载质量 m1 =676-79.79=596.2kg；满载质量 m1 =788-79.79=708.2kg；C ：前悬架刚度，具体计算以下。设悬架单边刚度为Ck，弹簧受力和位移为Fx、x。依据悬架受力和位移情况，可将悬架刚度经过一定百分比关系换算到螺旋弹簧处给予数值计算，则空载时前悬架刚度： N/mm同理可设悬架单边刚度为Cm，则满载时悬架刚度： N/mm将各参数带入上式可得：空载偏频：n=1.31（Hz）满载偏频：n=1.21（Hz）因为前悬架刚度在运动过程中会发生改变，对标杆车前悬架刚度进行试验，得出标杆车试验平均刚度为37.33 N/mm，空满载频率为别为：1.297Hz、1.192Hz。LF7133设计悬架空满载频率和其相当靠近，可见LF7133前悬架固有频率取值比较合理。3.2 后悬架位移和受力情况分析后悬架采取复合纵臂式半独立悬架。参考标杆车对后悬架姿态及安装点参数确定后，经过对设计数模运动分析，能够得出车轮中心空满载行程为：65.9mm，弹簧空满载行程：56.1mm。1). 空载悬架位移和受力情况分析该类型悬架在空载状态下，受力情况可简化以下：图5 空载后悬受力简图依据简图5，后螺旋弹簧提供弹性力大小取决于汽车后部质量分布和车轮受力点和弹簧作用点传输比，后部质量分布可由后轴轴荷和簧载质量分配关系直接进行量化。则后螺旋弹簧所提供弹性力为： =2105.89N其中：GRk：后轮空载下簧上质量分布作用力；=1741.70 N：弹簧和车轮中心受力点传输比；1.196a ：空载弹簧轴线和弹簧旋转力臂夹角 a=16.1；b：空载车轮支持力和旋转力臂夹角 b=0.3；2). 满载悬架位移和受力情况分析该类型悬架在满载状态下，受力情况可简化以下：图6 满载后悬受力简图同理弹簧满载时作用力： =3497.2 N其中：GRm：后轮满载时簧上质量分布作用力；=3030.4 N：弹簧和车轮中心受力点传输比为；1.154a ：满载弹簧轴线和弹簧旋转力臂夹角 a=10.2；b：满载车轮支持力和旋转力臂夹角 b=8.7；3). 螺旋弹簧刚度计算后悬在空满载情况下弹簧形变s，由前知s=56.1mm。弹簧刚度近似认为线性改变，则螺旋弹簧刚度：=25.24N/mm标杆车后螺旋弹簧试验刚度为25.55N/mm，因为标杆车后轴载荷和LF7133相当靠近，故此弹簧设计刚度值应和标杆车值相当靠近，计算所得设计数据是合理。4). LF7133后螺旋弹簧参数确实定：考虑到整个后悬架系统在整车部署情况，后螺旋弹簧中径、有效圈数均采取标杆车参数，仅对钢丝直径进行调整，即：12.3mm式中： G ：为弹性剪切模量79000 N/mm2Cs2 ：为螺旋弹簧刚度 25.24 N/mmD2 ：为前螺旋弹簧中径 118.0 mmn ：为弹簧有效圈数 5.5圈，总圈数6.75圈5). 后悬架固有频率计算后悬架固有频率： （Hz）式中： m1 ：后悬架簧上质量空载质量m1 =424-68.55=355.45 kg；满载质量m1 =687-68.55=618.45 kg；C : 后悬架刚度；设悬架单边刚度为Ck，弹簧受力和位移为Fx、x，弹簧刚度Cs2=Fx / x。依据悬架受力和位移情况，可将悬架刚度经过弹簧和车轮中心受力点传输比换算到螺旋弹簧处给予数值计算，则空载时前悬架刚度： 35.31 N/mm满载时后悬架刚度： 37.90 N/mm将各参数带入上式可得：空载偏频：n=1.59（Hz）满载偏频：n=1.25（Hz）因为后悬架刚度在运动过程中会发生改变，对标杆车后悬架刚度进行试验，得出标杆车试验平均刚度为36.39 N/mm，空满载频率分别为：1.64Hz、1.23Hz。LF7133悬架空满载频率和其相当靠近且空满载状态下改变更小，可见LF7133后悬架固有频率取值比较合理。前后悬架空满载时固有频率比值为：1.31/1.59=0.82、 1.21/1.25=0.97，较标杆车前后悬架频率比值：1.297/1.64=0.79、 1.192/1.23=0.97改变范围更小，故此LF7133悬架频率参数满足设计要求。3.3 悬架静挠度计算静挠度也是表征悬架性能关键参数，经过下面公式计算式中：fc ：为静挠度，单位mm；M ：为簧上质量,单位kg； g ：为重力加速度，单位。经过公式上述计算公式计算得到：前悬架静挠度：168.8mm；后悬架静挠度:159.9mm。由此看出，LF7133前后悬架静挠度比较靠近，且前悬静挠度大于后悬，其前后静挠度之比为fc前/fc后=1.06，有利于汽车加速时降低车身振动和预防悬架共振和车身产生较大纵向角振动。3.4 侧倾角刚度计算1). 前悬架侧倾角刚度前悬架侧倾角刚度由两部分共同作用，即螺旋弹簧引发侧倾角刚度和横向稳定杆引发侧倾角刚度：式中：横向稳定杆引发等效侧倾角刚度，单位Nmm/rad；：螺旋弹簧引发侧倾角刚度，单位 Nmm/rad。以下分别计算两项角刚度值。a). 横向稳定杆引发等效侧倾角刚度计算横向稳定杆角刚度计算可依据下面公式，具体参数可见横向稳定杆简图：图7 前横向稳定杆结构简图式中： E：材料弹性模量，取206000N/mm2；（数据起源于汽车设计刘惟信）：稳定杆截面惯性矩， ；d：稳定杆直径，d 23mm； L：由图3-2可得，L 1021.6mm；L1：由图3-2可得，L1353.8mm；L2：由图3-2可得，L2335mm；a：由图3-2可得，a113.3mm；b：由图3-2可得，b80mm；c：由图3-2可得，c317.5mm。依据上式计算得到稳定杆角刚度为1.84107 Nmm/rad。因为连接处橡胶件变形等，稳定杆侧倾角刚度会减小约1530（数据起源于汽车设计（刘惟信）。 取其中间值22.5，则减小后稳定杆角刚度为：=（122.5）=1.43107 Nmm/rad因为横向稳定杆和车轮处侧倾角刚度有以下关系：则由稳定杆所引发作用在车轮处等效侧倾角刚度为：=2.76107 Nmm/rad式中： B ：满载轮距， B1468mm；fb/fw ：稳定杆连接点和车轮中心位移比，0.967；b). 螺旋弹簧引发侧倾角刚度计算LF7133麦弗逊式独立悬架受力示意图，其侧倾角刚度能够用下式计算得到： =1.22107 Nmm/rad其中：CSF ：前悬架满载单边刚度，CSF =41.0/2=20. 5 N/mms ：满载时左右弹簧安装点轮距，s1091mm；将上述两计算值带入前悬架侧倾角刚度计算公式，则前悬架侧倾角刚度可计算为：=3.98107 Nmm/rad。2). 后悬架侧倾角刚度对于后悬架在车身侧倾时，作为整体式后扭转梁发生扭转变形，连同后螺旋弹簧回复力共同产生侧倾角刚度。可用下面公式表示：式中： ：后扭转梁扭转引发侧倾角刚度；：螺旋弹簧部分引发侧倾角刚度；a). 后螺旋弹簧引发侧倾角刚度计算后螺旋弹簧部分引发侧倾角刚度能够依据单纵臂式悬架计算公式得出：=0.91107 Nmm/rad式中 ： ：后悬架单边满载刚度，37.9/2=18.95N/mms ：后螺旋弹簧安装距离，s978.0 mm；b). 后扭转梁引发侧倾角刚度计算由经过试验得出后轴扭转梁及其它弹性元件平均刚度：10.05 N/mm。则后扭转梁扭转时引发侧倾角刚度为： 0.996 107Nmm/rad其中： L ：后扭转梁制动底板安装点距离，L=1408mm；Ka：后扭转梁平均刚度，试验得Ka=10.05N/mm；将上述后扭转梁和螺旋弹簧引发侧倾刚度带入计算，可得后悬架侧倾角刚度： 1.9010 Nmm/rad3). 整车侧倾角刚度在侧倾角不大条件下，车身侧倾单位角度所必需侧倾力矩称为侧倾角刚度。整车侧倾角刚度为前、后悬架侧倾角刚度之和。整车侧倾角刚度设为 ： = +=5.88107Nmm/rad其中： ：为前悬架侧倾角刚度，=3.98107 Nmm/rad； ： 为后悬架侧倾角刚度，=1.90107Nmm/rad；/=2.1，符合通常轿车侧倾刚度选择范围1.42.6之内，且前悬架侧倾角刚度大于后悬架侧倾角刚度，有利于汽车不足转向特征。3.5 侧倾角刚度校核对于汽车侧倾角通常情况下在转弯时，车身处于0.4g横向加速度下，要求其车身倾角小于6。设0.4g 横向加速度时，侧倾力矩为Mr，则其中： 悬挂质量离心力引发侧倾力矩=1.98106NmmFsy ：悬挂质量离心力，5199.8 NMbm ：悬挂质量，1326.48 Kgay ：设定横向加速度， h ：悬挂质量质心到侧倾轴线距离，=382mmh1 ： 前侧倾中心离地高度， h1 =132mmh2 ： 后侧倾中心离地高度， h2 =125 mmhs ： 满载悬挂质心离地高度，hs =511mmas ：悬挂质心至前轴距离， as =1186mmbs ：悬挂质心至后轴距离， bs =1358mmL ： 满载汽车轴距， L =2544mm因为车身侧倾，造成悬挂质量重力引发一定侧倾力矩，该力矩也是整车侧倾力矩组成部分之一。即：r ： 悬挂质量侧倾角度。Gs ：悬挂质量产生重力， Gs = Mbmg 另外：独立悬架非悬挂质量离心力也会产生侧倾力矩：=0.054106NmmFuy ：独立悬架非悬挂质量产生离心力，313.48 NM下m ： 独立悬架非悬挂质量， Kgh0 ： 前等效侧倾中心高度， h0 =132mmr ： 轮胎滚动半径， r =293 mm 车身侧倾角是在侧倾力矩作用下，克服侧倾刚度所侧倾一定角度，即：由以上式，带入侧倾刚度C=5.88107Nmm/rad值可得，车身在0.4g横向加速度时侧倾角为：=0.038 rad2.2 6故此LF7133侧倾角刚度在通常车型选择范围之内。3.6 侧翻阀值校核汽车侧翻是指汽车在行驶过程中，绕其纵轴线转动90度或更大角度，以至车身和地面相接触一个极其危险侧向运动。本计算说明书仅校核汽车在大附着率地面转弯行驶时，在横向加速度作用下，使得内侧车轮垂直支持力为零一个状态。对于车辆侧滑遭遇障碍物所引发侧翻视为一个非正常驾驶工况，可不予考虑。图8 汽车侧倾简图在良好路面上行驶时，汽车侧倾物理模型如上图所表示，侧翻阀值：=1.43式中 ： B ：轮距，考虑侧滑前后次序，取小值满载后轮距 B =1460mmhg ：满载质心高度， hg =511mmR ：满载侧倾柔度， R=1/C=1.710-8 hr ：侧倾中心高度， hr = hg h= 129 mm因为侧偏过程中轮胎弹性变形，使轮胎接地中心向内偏移，轮距减小，这使侧倾阀值将降低5%，故汽车侧翻阀值为：1.43（1 5%）=1.38。显而易见，该阀值是处于微型轿车侧倾阀值范围1.11.5之内，满足设计要求。3.7 纵向稳定性校核汽车在制动或加速行驶时，因为惯性力作用会造成轴荷转移，并伴随前后悬架变形，表现为制动时前部下沉和加速时前部上抬现象，设计中以抗前俯率和抗后倾率来表征该特征。对于乘用车其值通常取50%70%。制动时抗前俯率：=43%式中： e1 ：前纵倾中心离地高度， e1 =460mm ：制动力分配系数， =0.741 L ：满载轴距， L =2544mmd1 ：前纵倾中心离前轴距离， d1 =3967mmh ：满载质心高度， h =511mm驱动抗后倾率：=58%式中： e1 ：前纵倾中心离地高度， e1 =460mm ：制动力分配系数， =0.741L ：满载轴距， L =2544mmd1 ：前纵倾中心离后轴距离， d1 =3967mmh ：满载质心高度， h =511mm3.8 减震器参数确实定汽车悬架中安装减振装置作用是衰减车身振动确保整车行驶平顺性和操纵稳定性。下面仅考虑由减振器引发振动衰减，不考虑其它方面影响，以方便对减震器参数计算。汽车车身和车轮振动时，减震器内液体在流经阻尼孔时摩擦和液体粘性摩擦形成了阻尼力，吸收悬架垂直振动能量，并转变为热能，散发到周围空气中去，达成快速衰减振动目标。汽车悬架有了阻尼以后，簧载质量振动是周期衰减振动，用相对阻尼比来评定振动衰减，相对阻尼比物理意义是指出减震器阻尼作用在和不一样刚度和不一样质量悬架系统匹配时，会产生不一样阻尼效果。减震器中阻力F和速度v之间关系能够用下式表示：式中： ：为减震器阻尼系数；i ：是常数，i =1；以下是LF7133车型前后减震器阻力速度特征曲线： CPCP 图9 减振器特征曲线图依据上图曲线，前后减震器速度为0.524 m/s时，以空载状态分别对前后悬架相对阻尼比（复原行程阻力值和压缩行程阻力值之比）进行计算:表3 减振器参数阻力值 F（N）阻尼系数（N/（m/s）压缩拉伸阻尼比前减震器压缩行程634.21210.30.77复原行程827.31578.8平均730.81394.6后减震器压缩行程560.21069.10.85复原行程655.41250.8平均607.81160.0前悬架减震器安装以下图所表示：图10 前减震器安装数模示意图在上图中，车轮处阻尼力一直随减震器运动，所以此处不存在杠杆比。减震器相对摆臂垂直方向有一个14空间安装角。计算得到前悬架相对阻尼系数为：为减震器和垂直线所成夹角，单位rad；m为簧载质量，单位kg；n 为偏频，单位Hz；i 为常数，i=1。后悬架减震器安装情况以下：图11 后减震器安装侧视图后减震器在侧视图中存在杠杆比i =L1/L4=402.9/438.1=0.92， 其和后轴运动臂线垂直方向空间夹角是12.3。计算得到后悬架相对阻尼比为；4 总结以上计算各项参数是基于对标杆车参数测量情况下做一系列设计计算，由上述计算值能够看出，LF7133各项悬架特征参数和标杆车基础一致，部分参数优于标杆车型，且均符合汽车通常取值范围，由此悬架特征参数选择是合理。但因为LF7133载荷改变等更改原因影响，具体数值待LF7133样车出来后做深入优化。计算中所列参数如表4所表示。表4 悬架参数表项目LF7133 空载前偏频1.30Hz空载后偏频1.59Hz空载前后偏频比0.82满载前偏频1.21Hz满载后偏频1.25Hz满载前后偏频比0.97前螺旋弹簧刚度23.26N/mm后螺旋弹簧刚度25.24N/mm前悬架刚度（满载）41.0 N/mm后悬架刚度（满载）37.9 N/mm整车侧倾角刚度5.83107 Nmm/rad前悬架压缩阻尼系数1210. 3 N/（m/s）前悬架复原阻尼系数1578.8 N/（m/s）后悬架压缩阻尼系数1069.1 N/（m/s）后悬架复原阻尼系数1250.8 N/（m/s）前悬架拉伸压缩比0.77后悬架拉伸压缩比0.85前悬架相对阻尼比0.29后悬架相对阻尼比0.365 参 考 文 献1、 余志生主编汽车理论机械工业出版社，2、 王望予主编汽车设计机械工业出版社，3、 刘惟信主编汽车设计清华大学出版社，4、 汽车工程手册：设计篇人民交通出版社，121